计算系统及管理该为控制工业机器人设置的计算系统的可用资源的方法

摘要

本发明涉及一种计算系统(6)以及一种用于管理特别是为控制工业机器人(1)而设置的计算系统(6)的可用资源(16)的方法。在该方法的范围内，通过该计算系统(6)接收多个数据分组(13，14，41-45)。每个数据分组(13，14，41-45)都具有目标地址，计算系统(6)为这些目标地址事先分配以不同的优先级。根据所接收的相应数据分组(13，14，41-45)的目标地址的相应优先级在时间上为任务分配处理各接收的数据分组(13，14，41-45)的资源(16)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于管理特别是为控制工业机器人而设置的计算系统的可用资源的方法，以及一种特别是用于控制工业机器人的计算系统。

背景技术

工业机器人是执行机器，其装备有特定的工具并在多个运动轴上尤其是关于方向、位置以及工作流程编程以自动地处理对象。工业机器人具有用于控制和调节运动轴的运动的计算系统，如控制计算机。

如果该计算系统例如与其它计算机如基于以太网联网，则接收的数据分组会给该计算系统的资源造成很大的负荷，由此妨碍工业机器人的可靠运行。还可能的是，工业机器人的运行会对对数据分组的实时处理造成负面影响。

发明内容

因此本发明要解决的技术问题是，提出一种改进的管理为控制工业机器人而设置的计算系统的可用资源的方法。

本发明要解决的另一技术问题是，提出一种尤其是用于控制工业机器人的计算系统，其给出更好地管理该计算系统的可用资源的先决条件。

本发明的技术问题通过一种用于管理特别是为控制工业机器人而设置的计算系统的可用资源的方法来解决，该方法具有以下方法步骤；

-借助计算系统接收多个数据分组，其中，每个数据分组具有一个目标地址，对这些目标地址通过该计算系统事先分配以不同的优先级；以及

-将任务根据所接收的相应数据分组的目标地址的相应优先级在时间上与该计算系统的处理各接收的数据分组的资源相对应。

本发明的技术问题还通过一种尤其用于控制工业机器人的计算系统来解决，该计算系统具有资源和用于管理这些资源的操作系统，其中，该计算系统设置用来接收具有目标地址的数据分组，其中，通过该计算系统为这些目标地址事先分配以不同的优先级，以及，操作系统将任务根据所接收的相应数据分组的目标地址的相应优先级在时间上与处理各接收的数据分组的这些资源相对应。

一般来说操作系统的任务是管理计算系统的可用资源，如计算系统的一个或多个处理器、工作存储器或输入输出设备。对资源的管理还包括对任务在时间上的资源分配(调度)。任务是在计算系统的最低系统层上运行的过程。

按照本发明的计算系统以及按照本发明的方法尤其用于工业机器人及其运动过程的控制。如前所述，工业机器人是执行机器，其装备有特定的工具并在多个运动轴上尤其是关于方向、位置以及工作流程编程以自动地处理对象。一般来说控制轴的运动例如由控制计算机来控制，具体地说由本发明的计算系统来控制。

按照本发明的计算系统接收数据分组。这些数据分组尤其可以是以太网数据分组。以太网是电缆连接的或可选地通过无线连接实现的用于局部数据网络的数据网络技术，能够以数据帧(Datenrahmen)的形式在所有连接到局域网的设备之间进行数据交换。以太网还以IEEE标准802.3被标准化。

数据分组尤其可以用于工业机器人的运行着的操作，如工业机器人的控制，或用于其它应用，如对计算系统进行问询、对与工业机器人对应的数据进行归档。

根据所接收的数据分组的目标，需要由本发明的计算系统对它们尽可能快地、尤其是实时地进行处理。这尤其涉及到用于实时控制、一般来说用于实时运行的操作的工业机器人所需的数据分组。而对于其它数据分组、如数据归档所要求的数据分组的处理则不是那么时间关键的。

在计算机领域，概念“实时”和“模型时间(Modellzeit)”之间有所区别。实时涉及在“真实世界”中消耗的时间、流程，而模型时间则涉及由计算程序自我管理的运行时间。

实时系统可以理解为必须在预先给定的时间段内对事件作出反应的系统。预先给定的时间段取决于要实时处理的各个任务，并例如对于快速的数字化的控制任务和/或调节任务处于毫秒范围内，或者例如对于温度调节或水平监测处于秒的范围内。

有时还区分软实时和硬实时。所谓的硬实时意味着超过预先给定的时间段即为错误。而在所谓的软实时中系统则通常在预先给定的时间段内对相关的输入进行处理，在此，一般来说可以偶尔超过预先给定的时间段而不会导致错误。

所接收的数据分组分别对应一个目标地址。该目标地址例如是IP地址。至少一个目标地址与计算系统的一个子网相对应。按照本发明，事先为各个目标地址分配不同的优先级。由此，按照本发明的计算系统的操作系统可以根据各接收的数据分组的目标地址的优先级来将各接收的数据分组与特定的优先权相对应。在此，与相关的接收的数据分组相对应的优先权相当于该数据分组目标地址的优先级。操作系统通过根据相关的优先级将任务在时间上与用于处理各接收的数据分组的资源相对应来根据所对应的优先权先处理或后处理这些数据分组。

按照一种实施方式，根据本发明的计算系统是实时系统，即根据该变形按照本发明的计算系统的操作系统是实时操作系统。

在该计算系统上可以同时运行不同的过程。根据所接收的数据分组的、根据其目标地址确定的优先权，操作系统可以对计算系统进行管理，使得利用不同的优先权来处理所接收的数据分组。此外，无需对接收的数据分组首先进行解包，从而基本上无需对具有较低优先权的数据分组进行预处理以确定其优先权。由此可以避免有时不必要的计算开销。

因此，根据该实施方式，目标地址在实时操作系统的调度中获得特殊的任务优先权，由此使得对处理接收的数据分组的隐性的优先权模式成为可能。由此可以保证计算系统的、为保持实时准则(Echtzeitkategorie)所需的公平的计算时间分布。

根据本发明方法的一种变形，将接收的数据分组中间存储到与目标地址相对应的中间存储器中。

如果例如中间存储器满，则按照本发明方法的一种实施方式，当计算系统正在接收或已经接收其目标地址对应于较高优先级的数据分组但尚未处理时，丢弃一个已接收的数据分组或一个已存储在相应中间存储器中的数据分组。由此能够使目标地址对应于最高优先级的数据分组可靠地以最高优先权尤其是实时地被处理。

按照一种变形，按照本发明的计算系统具有用于控制工业机器人的CPU，在该CPU上运行用于控制工业机器人的任务以及其它任务。

按照本发明的方法以及本发明的计算系统的一种实施方式，对用于工业机器人的控制和/或使工业机器人可与至少一个另一个工业机器人进行信息交换的数据分组设以最高优先级。因此这一方面能够借助本发明的计算系统在运行的操作中实时地运行工业机器人，尽管该计算系统在运行的操作中对于运行的操作还获得不需要的数据分组。这种变形还允许工业机器人在运行的操作中与一个或多个其它工业机器人协同工作，对于这些工业机器人利用按照本发明的计算系统控制的工业机器人必须实时地处理源自于至少一个这些其它工业机器人的数据分组。

根据本发明方法的一种变形，设置了三个不同的优先级。在这种情况下例如可以是，将具有最低优先级的目标地址用于其处理不是时间关键的或在计算系统资源的负荷较重时可以不处理或可以丢弃的数据分组。具有这样的目标地址的数据分组例如是用于数据归档、计算系统的配置和/或计算系统的诊断的数据分组。

具有中间优先级目标地址的数据分组例如对应于可连接到计算系统的工业机器人的操作设备。这样的操作设备例如是编程手持设备利用其例如可以在示教(Teach-in)程序设计的范围内确定工业机器人的运动过程。

具有最高优先级目标地址的数据分组例如用于工业机器人与其它工业机器人的信息交换。由此可以使多个工业机器人共同处理一个任务，其中需要在当前运行的操作中尽可能快地在工业机器人之间进行信息交换，以使这些工业机器人能够以满意的程度特别是实时地对任务进行处理。

借助该本发明方法及本发明计算系统的变形，例如在表示高优先级的周期性(机器人)任务的机器人控制运行期间，

a)能够连续地进行非实时数据至子网的通信，

b)能够与至少一个其它工业机器人交换实时数据，

c)能够实施具有实时要求的现场总线协议(如ProfiNet)，和/或

d)能够可选地运行其它具有实时要求的I/O协议。

为了能够划分隐性的实时级，可使与数据流a)-d)相对应的通信栈(数据分组)获得一个与所基于的网络控制器的驱动器(虚拟接口)绑定的“虚拟驱动器”。由此每个“虚拟驱动器”都与一个自身的可优先级化的任务和用于处理数据分组的“存储队列”以及一个绑定的通信栈相对应。对于队列的其它表达例如有等待队列或缓存器。由此，相对于利用已有技术、如IEEE802.1p以及相关的如IEEE 802.1Q、VLAN来实现实时任务模式来说，可以实现在处理上更开放、对用于控制工业机器人的计算系统更合适的、用于处理不同级的数据分组的实时任务模式。

这样，一种可能的优先权模式(升序)为：

优先权1：d)

优先权2：b)

优先权3：c)

优先权4：a)。

例如，对于如远程桌面、归档的非实时数据(a)的瞬时高数据率将相对于b)-d)的实时数据以及机器人控制较后地进行处理并“排队”。如果临时需要空闲计算时间用于高优先权的任务，则也可以例如通过所属的“存储队列”的可调的阈值将按照a)的数据分组丢弃。

由此，在使用虚拟接口、中间存储器和实时操作系统时，虚拟网络接口获得实时操作系统调度中的特别的任务优先权(优先级)以及用于处理数据分组的可优先权化的存储区域。相应地，能够实现分组处理的隐性的优先权模式，并由此实现保持实时准则所需的计算时间分配的公平。

这种隐性的优先权模式首先在实现由不同的和相异的用户站构成的网络时的优点是，不会由用户站强迫地要求对数据分组进行特定的贴标签以实现所谓的“服务质量”，但当存在标签时能够利用它来改善“服务质量”。此外，该隐性的优先权模式在工业机器人控制的操作系统方面还具有以下优点，即不必通过该优先权模式来更改设置在物理层上的层的、用于连接适当的通信软件的软件接口，从而使操作系统的标准接口得以保持。

由此得到一种“通用实时多路器”，尤其是用于以太网通信，它不必采用如“VLAN”和“优先权标签”的技术，从而也不必遵循其约束。此外“通用”意味着其功能范围可以由元件“虚拟接口”模块化地组合而成，并针对不同的情景进行配置。

这样，尤其是可以将所有其它相关子功能统一到“通用实时多路器”，特别是“通用以太网实时多路器”，该“通用实时多路器”可以与机器人控制一起在CPU核上运行。

按照本发明的计算系统还可以具有多个接口，这些接口被赋予不同的优先级并用于接收数据分组，其中，操作系统将任务根据接收相关数据分组的接口的相关优先级在时间上与处理各接收的数据分组的资源相对应。

按照本发明的计算系统的该变形，接口被赋予不同的优先级。由此，按照本发明的计算系统的操作系统能够根据优先级为通过这些接口接收的各数据分组分配特定的优先权。在此，与相关的接收的数据分组对应的优先权与接收该数据分组的接口的优先级相同。操作系统通过根据相关的优先级将任务在时间上与用于处理各接收的数据分组的资源相对应来根据所对应的优先权先处理或后处理数据分组。

可以为各个接口都分配目标地址，从而使数据分组能够由事先确定的接口来接收。因此根据所期望的通过本发明的计算系统处理数据分组的优先权，能够通过适当的编址将数据分组发送到期望的接口，由此使该数据分组能够由计算系统相应于该接口的优先级进行处理。

接口例如可以是物理的接口，但也可以是虚拟接口。虚拟接口例如可以借助软件代码来实现。

根据本发明方法的一种变形，将接收的数据分组中间存储在与接口相对应的中间存储器中。因此在使用特别是虚拟接口时，例如可以使每个虚拟网络接口获得一个(实时)操作系统的调度中的特别的任务优先权(优先级)以及用于处理数据分组的可优先权化的存储区域。

如果例如中间存储器满，则根据本发明方法的一种实施方式，当具有较高优先级的接口正在接收或已经接收数据分组并尚未处理时，丢弃一个接收的数据分组或一个已存在相应的中间存储器中的数据分组。由此可以对由具有最高优先级的接口接收的数据分组可靠地以最高优先权特别是实时地进行处理。

附图说明

本发明的实施方式在所附的示意图中示例性地示出。其中，

图1示出具有控制计算机的多个工业机器人；

图2示出控制计算机的接口；

图3示出管理控制计算机的可用资源的流程图；

图4示出说明本发明的另一视图。

具体实施方式

图1示出例如运动特性为在六个自由度上运动的第一工业机器人1。该第一工业机器人1以一般公知的方式具有六个运动轴、关节3、杠杆4以及法兰5。在图1中仅示出了其中一个具有附图标记2的运动轴。

每个运动轴2由一个未详细示出的驱动器驱动。这些驱动器例如分别包括一个电动马达和传动装置，如本领域技术人员所一般公知的。

此外，工业机器人1还具有控制计算机6，其以未示出的方式与工业机器人1的驱动器连接，并借助在该控制计算机6上运行的计算机程序以一般公知的方式控制该驱动器，从而使该工业机器人1的法兰5实施预定的运动。在控制计算机6上运行着专业人员一般公知的、管理控制计算机6的资源(如处理器16或未详细示出的工作存储器)的实时操作系统。对资源的管理还包括在时间上为当前任务分配(调度)这些资源。

图1除了第一工业机器人1还示出了第二工业机器人9，其在本实施例的情况下基本上与第一工业机器人1构造相同并具有控制计算机10。

在本实施例的情况下，第一工业机器人1的控制计算机6具有图2中详细示出的接口7，第二工业机器人9的控制计算机10具有与控制计算机6的接口7相似的接口11。

在本实施例的情况下，两个控制计算机6和10通过接口7和11连接到作为数据网络的例子的以太网8，并能够通过以太网8借助数据分组13进行通信。此外，在以太网8上还连接有其上运行标准操作系统的计算机12。计算机12同样可以通过以太网8借助数据分组14与两个控制计算机6和10通信。

在本实施例的情况下，接口7包括具有第一物理接口IF1的第一网卡21和具有第二物理接口IF2的第二网卡22。通过第一物理接口IF1实现第一、第二和第三虚拟接口IF1a、IF1b、IF1c，通过第二物理接口IF2实现第四和第五虚拟接口IF2a、IF2b。

在第一工业机器人1运行期间，控制计算机6的对应于工业机器人1的控制的任务对应于控制计算机6要优先处理的高优先权周期性机器人任务。

此外，在本实施例的情况下，还能够始终用非实时数据与子网、如与计算机12通信。该通信通过数据分组14进行。该通信例如是计算机12向第一工业机器人1的控制计算机6的数据归档询问，控制计算机6根据该询问要向计算机12发送用于归档的数据。在本实施例的情况下，这种数据交换通过第一网卡21的第一虚拟接口IF1a进行。

此外，在本实施例的情况下，第一工业机器人1的控制计算机6还借助数据分组13与第二工业机器人9的控制计算机10实时交换数据。该数据交换例如通过第一网卡21的第二虚拟接口IF1b进行。

还可以例如通过第二网卡22的虚拟接口IF2a、IF2b之一实现具有实时要求的现场总线协议(如ProfiNet)。

可选地，例如还可以通过第一网卡21的第三虚拟接口IF1c来运行其它具有实时要求的I/O协议。

此外，控制计算机6还具有与接口IF1a-IF1c、IF2a、IF2b相对应的中间存储器15，用于在必要时中间存储接收的数据分组13、14。

此外，还为五个虚拟接口IF1a-IF1c、IF2a、IF2b分配优先级，控制计算机6根据这些优先级以不同高度的优先权对由相应接口IF1a-IF1c、IF2a、IF2b接收的数据分组13、14进行处理。为了能够划分隐性的优先级，在本实施例的情况下，与以上所述数据流相对应的通信栈获得一个与所基于的网卡21、22的驱动器绑定的“虚拟驱动器”。即每个“虚拟驱动器”都与一个自身的可优先级化的任务和用于处理数据分组13、14的存储队列以及一个绑定的通信栈相对应。

在本实施例的情况下，对利用其接收源自于第二工业机器人9的数据分组13的第二虚拟接口IF1b赋予最高的优先级，从而使第一工业机器人1的控制计算机6对由该接口IF1b接收的数据分组进行实时处理。

在本实施例的情况下，对第一工业机器人1的控制计算机6利用其接收例如用于询问计算机12的数据归档的数据分组14的第一虚拟接口IF1a赋予最低的优先级。因此，控制计算机6对该数据分组14以较低的优先权、尤其是非实时地进行处理，并在必要时当控制计算机6还有优先权更高的数据分组要进行处理或接收时，丢弃已接收的或中间存储在对应于第一虚拟接口IF1a的中间存储器15中的数据分组14。此外，控制计算机6还可以实现为，中断对低优先权数据分组、尤其是不必实时处理的数据分组的处理，以能够为优先权较高的数据分组的处理提供更多的资源。

在本实施例的情况下，第二虚拟接口IF1b被赋予最高的优先权，从而使通过该虚拟接口IF1b接收的、例如源自于第二工业机器人9的数据分组13以最高的优先权被处理。

在本实施例的情况下，为第四和第五虚拟接口IF2a、IF2b同样分配较高但低于第二接口IF1b的优先级。对通过第四和第五虚拟接口IF2a、IF2b接收的数据分组同样进行实时处理，在此，对控制计算机6必须对通过这些接口IF2a、IF2b接收的数据分组进行响应的预定时间范围的要求较之于对第二虚拟接口IF1b的要求来说要松。也就是说，控制计算机6对通过第二虚拟接口IF1b接收的数据分组进行响应的时间范围比控制计算机6对通过第四或第五虚拟接口IF2a、IF2b接收的数据分组进行响应的时间范围小。

对于控制计算机6可选地通过其可接收其它具有实时要求的I/O协议的第三虚拟接口IF1c，也同样赋予较高的优先级，从而使利用该接口IF1c接收的数据分组也同样得到实时处理。第三虚拟接口IF1c的实时要求低于第二虚拟接口IF1b的实时要求，但高于第四和第五虚拟接口IF2a、IF2b的实时要求。

由此得到由图3的流程图示意性示出的、处理不同级别数据流的实时任务模式。

在该流程图的步骤S1中，第一工业机器人1在其运行中通过虚拟接口IF1a-IF1b、IF2a、IF2b接收多个数据分组13、14，其中，这些接口IF1a-IF1b、IF2a、IF2b对应于不同的优先级。

在该流程图的步骤S2中，控制计算机6的实时操作系统根据已接收相关数据分组13、14的接口IF1a-IF1c、IF2a、IF2b的相关优先级在时间上将任务与控制计算机6的、用于处理各接收的数据分组13、14的资源相对应。

如果控制计算机6的一个接口接收到的数据分组的优先级低于同样接收一个数据分组的接口的优先级，则还可以丢弃通过优先级较低的接口接收的数据分组，如该流程图步骤S3所示。

图4示出第一工业机器人1控制的另一实施例，如以下参照图4所述：

图4示出通过通信线路46、47向第一工业机器人1的控制计算机6的网络接口卡NIC1、NIC2发送的数据分组41-45。在控制计算机6中，对数据分组41-45中每一个具有有效目标地址的数据分组借助相关数据分组41-45的数据分组头部中的目标地址实施与相应目标地址范围唯一对应的优先权机制。

在本实施例的情况下，数据分组43的目标地址范围为“Dest.：IP addressspace A(目标地址：IP地址空间A)”，数据分组44的目标地址范围为“Dest.：IP address space B(目标地址：IP地址空间B)”，数据分组45的目标地址范围为“Dest.：IP address space C(目标地址：IP地址空间C)”，数据分组41的目标地址范围为“Dest.：IP address space D(目标地址：IP地址空间D)”，而数据分组42的目标地址范围为“Dest.：Raw Ethernet address space(目标地址：原始以太网地址空间)”。

在控制计算机6中(标准化的)数据分组分发和数据分组41-45的优先权化以这种方式相组合，从而使网络中的每个通信用户都能够仅通过有效寻址模式的支持就能够参与这种优先权化。

图4示出的分发机制基于所谓的“虚拟网络驱动器”的使用，其在标准情况下可以通过输入IP地址而与TCP/IP栈连接。这种分发功能可以通过如学习桥接器(Learning Bridge)B和NAT路由器R的通用机制来扩展。学习桥接器在接通自动地址表后建立，由此省去了网络管理员的手动设置表格。NAT是“网络地址翻译”的缩写，是计算机网络中对将数据分组中的地址信息自动地且透明地用其它信息来替代的方法的总称。由此近似地给出交换(软件交换，software switch)的设计模式。

在此，优先权机制例如用于，在将出现的目标地址范围为“Dest.：IPaddress space A”的数据分组43分配到控制计算机6的分组缓冲存储器之后，使其保持在那里不进行进一步处理，直至对于相应的应用(如“实时应用”)的数据分组44被完全处理完。

该机制原则上适用于接收的数据分组41-45的所有组合，并由此可以无缝地插入控制计算机6的整个任务模式以及关于不同子网Sub1、Sub2、Sub3的运行的要求简档(Anforderungsprofil)。

例如，其中例如存在非实时操作系统的子网Sub1可以简单地通过学习桥接器B和该子网Sub1的非实时操作系统和实时操作系统之间的交换存储区域SM(“共享存储器”)来实现。

到该子网Sub1的另一入口可以通过NAT路由器R来实现。

显然，一旦出现更高级别的通信任务和更高级别的控制任务，该子网Sub1中的通信总会被节制。

子网Sub1对应于不必实时处理的任务。子网Sub1对应于(IP)目标地址范围“IP地址空间A”，子网Sub2对应于(IP)目标地址范围“IP地址空间B”，子网Sub3对应于目标地址范围“地址空间C”。“地址空间C”可以包括不同于IP的地址模式，如EtherCAT。

图4示出在控制计算机6的任务模式中插入不同优先权的通信任务(实时任务(子网Sub3)[优先级50]，软实时任务(子网Sub2)[优先级145]，非实时任务(子网Sub1)[优先级200])的示意图。在本实施例的情况下，周期性机器人任务对应于[优先级100-144]而非周期性机器人任务对应于[优先级146-175]。

在此，实时、软实时和非实时是对该隐性作用的优先权机制的分级，周期性机器人任务和非周期性机器人任务示出对机器人控制的任务模式的分级。

两个操作系统语境(实时和非实时操作系统)在一个PC上运行，分割线T表示软件实现的优先权化和分发。

桥接器B和路由器R的连接利用了所基于的优先权模式，并允许由网络接口卡NIC1以及由网络接口卡NIC2最后接入子网Sub1，其中，通过网络接口卡NIC1至子网Sub1的入口通过路由器R实现，从而使该入口仅通过特定的授权开放。一个典型的通过网络接口卡NIC1的入口例如是通过IT家庭网络(Hausnetz)的入口。